适合智能电网工业应用的ARM解决方案

数据采集器是当今智能电网的重要组成部分。影响数据采集器设计的因素有很多，按照采集器的设计复杂性,住宅和工业应用中的数据采集器可大致分为三级：入门级、中级和高级。恩智浦半导体的ARM解决方案可以满足全部三种需求，提供合适的功能组合。

当今的电力公司在智能电网中广泛使用数据采集器跟踪电力消费、监控电网功能并分析电力运行情况。数据采集器电路通常置于电子式电表之间，这些电表用于测定电力使用量和电网上游网络。数据采集器从电子式电表采集输入数据，进行一定的数据处理，然后将集中数据分程传递或上传至网络。

图1用于入门级数据采集

入门级数据采集器的资源要求

影响数据采集器设计的因素有很多，包括电力线类型(单相或多相)和公用系统(住宅或工业)的功能要求。不过，一般情况下，数据采集器的常见类别分为三种：入门级、中级和高级。本文将分别概述这三种数据采集器，并讨论为数据采集器选择微控制器时需要考虑的数据处理和系统资源要求。

入门级数据采集器

入门级数据采集器，顾名思义，能满足相对基本的系统要求。通常支持单相电力线(常与住宅电表一起使用)，用来采集自动抄表系统(AMR)的数据，或新式带数字输出的智能电表数据。采集的数据通常存储在采集器系统的闪存里(内置或外置于微控制器本身)，集中数据通过选定的通信接口在预定时间传输至上游网络。

图2LPC1200功能框图

入门级数据采集器通常在向上游网络传递信息之前会执行一定量的初步数据处理。例如，通过使用少量的数据采样并搭配时间记录，数据采集器可以报告某一特定时间内的电力使用情况，从短短几分钟到一个星期或一个月不等；也可以根据不同时间间隔和筛选方式对数据进行分类、存储。这样有助于电力公司详尽地分析电力使用趋势，数据粒度细化至单个用户，并可进行动态调整，实现更合理的电力输配。经配置后，数据采集器也可监测电子式电表的下游运行情况。如果电表参数发生变化，报告间隔超过公差、或检测到故障或异常数据，那么数据采集器会实现软件智能化，及时报警，并向维护团队提供远程修复所需的信息。

各地智能电网的传输方式可能有所不同，因此，应地方规范要求，可能需要扩展基本功能集。根据数据采集器的部署位置，可以使用RS-485、通用分组无线业务(GPRS)或电力线通信(PLC)进行数据传输，也可用红外线或RS–485进行外部控制。许多开发商并不针对每个地区或市场进行定制设计，而是采取了“一刀切”的做法，构建系统支持可能使用的所有传输方式(但不是所有传输方式都同时使用)。此做法可能在制造时带来规模经济效益，但同时可能对微控制器提出更多要求。

图3用于高级数据采集器的微控制器配置示例

图1显示了如何配置微控制器用于入门级数据采集器，表1则列出了该设计的一般功能要求。假定该设备从多个UART端口采集数据，并支持多种基本功能，包括输入采集、数据存储、通信和维护，设计中应包括用于提供时间戳数据的实时时钟(RTC)、进行实时供电质量检查的可选模数转换器(ADC)，以及与外部存储器或外部设备通信(如无线传输射频模块)一起使用的可选SPI接口。

表1中未列出微控制器本身的电耗要求，但通常来说，数据采集器需要高效用电。电力公司不想增加电网电力消耗而产生额外成本，消费者也不愿意因使用新的计量功能而增加电费支出。

考虑到这些不同需求，32位微控制器通常是最佳选择。这是因为大多数8位和16位微控制器的功率不足以处理多个数据源的数据，且往往缺乏必要的配置资源来支持系统运行。另一方面，因为大多数32位微控制器具有多种电源模式，设计人员通常可以进行系统优化，提高性能和效率。

决定使用32位架构后，设计师仍然需要找到提供合理功能组合的解决方案。这里会面对一个潜在的难题,因为大多数32位微控制器除了具备必要的UART数量，但也提供了系统用不上的其它高级功能(如以太网、I2S和液晶显示接口)。恩智浦LPC1200工业控制系列(如图2所示)，为此难题提供了不错的解决方案。该系列采用ARMCortex-M0处理器，提供高达128KB闪存，且包含数据采集器可以使用的其它资源，如RTC、ADC和SPI。

LPC1200系列标配支持两个UART，另外，其独特的特殊应用标准产品(ASSP)功能使得该系统可以额外支持两个硬件UART。ASSP功能让设计人员可以避免增加高端设备支出，同时又具有足够的灵活性，可在不同应用中执行多项任务。例如，其内置的ASSP还可以被配置用于I2C转DMA传输、引脚模式匹配，或模拟数据记录等。使用ASSP可降低CPU的负载及减少处理简单信息时对系统运行产生的中断，可在定制微控制器功能的同时，最大限度地降低系统开销。

中级和高级数据采集器

较之入门级数据采集器，中级和高级数据采集器都具有更广泛的功能。高级与中级的区别通常在于CPU速度。也就是说，高级数据采集器一般需要更快的CPU速度，而这对微控制器配置至关重要。

高级数据采集器典型用于更复杂的住宅设置和三相工业应用中。计算需求越高，CPU性能要求也越高。200MHz以上主频通常是最佳选择。高级数据采集器还具备更先进的通信和控制功能，如以太网和Wi-Fi，用于交互式显示的LCD接口，以及供本地数据下载的USB主机。这些新增功能需要更多闪存与系统内存，且需要实时操作系统(RTOS)。图3给出了示例功能框图。